Ansys在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、A一13玻璃鋼學(xué)會(huì)第十六屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集2006年Amys在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用覃海藝,鄧京蘭(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢430070摘要:優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著十分重要的作用。本文詳細(xì)介紹了Ansys兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的過程,并運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最優(yōu)結(jié)構(gòu)層合設(shè)計(jì)和運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方'法對(duì)玻璃鋼圓凳進(jìn)行了最佳形狀設(shè)計(jì)。結(jié)果證明Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效性。關(guān)鍵詞:Ansys;優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì);拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì);復(fù)合材料l前言復(fù)合材料是由兩種或多種性

2、質(zhì)不同的材料組成,具有比強(qiáng)度、比剛度高、耐疲勞性能好及材料與性能可設(shè)計(jì)強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、航空、衛(wèi)生等領(lǐng)域。復(fù)合材料通過各相組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)獲得優(yōu)異的性能,因此復(fù)合材料各組分之間及材料整體結(jié)構(gòu)的合理布置,充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能已成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù),Ansys強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能已廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)心J。2Ansys中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法【3娟j2.1目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)“最優(yōu)設(shè)計(jì)”是指滿足所有的設(shè)計(jì)要求,而且所需(如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等的方案

3、最小,即目標(biāo)函數(shù)值最小。也就是說,最優(yōu)設(shè)計(jì)方案是一個(gè)最有效率的方案。在Ansys中設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的,如尺寸(如厚度、形狀(如過渡圓角的大小、支撐位置、制造費(fèi)用、自然頻率、材料特性等。實(shí)際上,所有可以參數(shù)化的Ansys選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)是通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量(自變量的數(shù)值,使?fàn)顟B(tài)變量(設(shè)計(jì)變量的函數(shù),因變量在滿足一定條件時(shí),目標(biāo)函數(shù)(因設(shè)計(jì)變量的改變而有所改變的值最小。目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)的一般步驟為生成循環(huán)所用的分析文件,該文件須包括整個(gè)分析的過程,并滿足以下條件:參數(shù)化建立模型(PREIy7,對(duì)模型進(jìn)行初次求解(SOLUTION,對(duì)初次求解的結(jié)果提取并指定狀態(tài)變量

4、和目標(biāo)函數(shù)(POSTl/POST26;在Ansys數(shù)據(jù)庫里建立與分析文件中變量相對(duì)應(yīng)的參數(shù),這一步是標(biāo)準(zhǔn)的做法,但不是必須的(BEGIN或OPT;進(jìn)入OPT優(yōu)化處理器,指定要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán)的分析文件(oPT;聲明優(yōu)化變量:指定哪些參數(shù)是設(shè)計(jì)變量,哪些參數(shù)是狀態(tài)變量,哪個(gè)參數(shù)是目標(biāo)函數(shù);選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化算法:優(yōu)化算法是使單個(gè)函數(shù)(目標(biāo)函數(shù)在控制條件下達(dá)到最小值的傳統(tǒng)算法,包括零階算法和一階算法;指定優(yōu)化循環(huán)控制方式,每種優(yōu)化方法和工具都有相應(yīng)的循環(huán)控制參數(shù),比如最大迭代次數(shù)等;進(jìn)行優(yōu)化分析;查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果(OPT和后處理(POSTl/POST26。2.2拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化,有

5、時(shí)也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多作者簡介:覃海藝(1980,男,在讀碩士。49載荷的物體的最佳材料分配方案。與目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)不同的是,拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量是程序內(nèi)部預(yù)定義好的。用戶只需給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)(材料特性、模型、載荷等和要省去的材料百分比,即可通過優(yōu)化計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最佳外形設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)約束的情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能,從而提高結(jié)構(gòu)的剛度,所以在優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)主要步驟為定義拓?fù)鋬?yōu)化包括定義材料特性(楊氏模量和泊松比,選擇合適的單元類型生成有限元模型,施加載荷和邊界條件做單載荷步或

6、多載荷步分析;選擇單元類型,Ansys中可用于拓?fù)鋬?yōu)化的單元有二維實(shí)體單元(SOLID2和SOLID82、三維實(shí)體單元(SOLID92和SOLID95、殼單元(SHELL93;指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域,只有單元類型號(hào)為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化,使用這種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分;定義和控制載荷工況,可以在單個(gè)載荷工況和多個(gè)載荷工況下做拓?fù)鋬?yōu)化;定義和控制優(yōu)化過程:定義優(yōu)化參數(shù)和進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化;查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束后,ANSYS將優(yōu)化結(jié)果存儲(chǔ)于結(jié)果文件(Jobname.RST供通用后處理器使用。3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)3側(cè)3.1目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)例玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于玻璃鋼制品中,生產(chǎn)一款

7、夾層結(jié)構(gòu)的玻璃鋼汽車頂蓋,長3000ram,寬1500mm,厚25ram。初步計(jì)算,生產(chǎn)中夾層結(jié)構(gòu)單位體積費(fèi)用為玻璃鋼的1/5,頂蓋設(shè)計(jì)最大面載荷為1000N/m2。材料力學(xué)性能為(E為彈性模量,盯為許用應(yīng)力,恤為泊松比,G為剪切彈性模量,8為許用應(yīng)變,U為最大允許撓度:玻璃鋼(視為板結(jié)構(gòu),正交各向異性材料El_16GPa,E:=12GPa,G:2=4.5GPa,斗112=o.30盯1=150MPa,1=0.2%,U1=8.0mm夾層為泡沫材料(視為各向同性材料Ei=E;=o.1GPa,斗212=o.30,盯2=1.0MPa,82=0.15%,U2=8.0mm 問:夾層材料厚度為多少較合適。(

8、1參數(shù)化建模由已知,把汽車頂蓋視為平板模型,尺寸不變,四邊簡支,頂部受最大面載荷1000N/m2。設(shè)計(jì)平板上下層為玻璃鋼材料,厚度均為T。,中間層為泡沫材料,厚度為T2形狀如圖1,且T2=252×T。用有限元軟件Ansy8建立參數(shù)化模型,采用99號(hào)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。圖1平板截面示意圖2有限元網(wǎng)格模型 3.2拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例如設(shè)計(jì)一復(fù)合材料圓凳,采用短切纖維增強(qiáng)材料和SMC模壓成型工藝,上部圓直徑為500ram,下部圓直徑為700mm,高為600ram,圓凳上部設(shè)計(jì)最大面載荷為10000N/m2。視短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為各向同性材料J,經(jīng)樣板試驗(yàn)測得玻璃鋼材料力學(xué)性能為彈性

9、模量E= 15GPa,泊松比斗=0.32,許用應(yīng)變8=O.2%,許用應(yīng)力or=150MPa。按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),初步設(shè)計(jì)圓凳形狀如圖5(有限元網(wǎng)格圖所示。為了防止圓凳因受壓失穩(wěn)而破壞,其壁加厚為10ram,由此經(jīng)Ansys靜力分析得結(jié)果,如表2。其中,8一為最大應(yīng)變,盯一為最大應(yīng)力,u為最大位移。表2初步設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果由表2的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品力學(xué)安全性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用要求,按這樣的設(shè)計(jì),材料沒有得到充分的發(fā)揮,造成浪費(fèi)。在基本尺寸(長寬高及壁厚不變的情況下,對(duì)圓凳下部側(cè)邊進(jìn)行材料縮減(即挖空,以合理使用材料和減少生產(chǎn)成本。按設(shè)計(jì)要求,選取solid95優(yōu)化單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖5,對(duì)凳腳中間部分節(jié)點(diǎn)施加固定約束,圓凳上表面施加面載荷,初步設(shè)定縮減參數(shù)為(圓凳總體積的40%。經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化分析,可得優(yōu)化結(jié)果,如圖6。 圖5初步設(shè)計(jì)有限元模型圖6拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖7重新設(shè)計(jì)的模型按形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果(圖6,對(duì)模型形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)如圖7,并對(duì)其進(jìn)行有限元靜力分析校核,分析結(jié)果見表3。表3形狀重新設(shè)計(jì)后的計(jì)算結(jié)果由表3數(shù)據(jù)可知,按圖7的設(shè)計(jì)方案,模型在滿足使用性能的條件下,材料用量比初步設(shè)計(jì)結(jié)果(圖5少了許多,是一種